Электро-механические полевые транзисторы ( Electro-Mechanical FETs )

В полевых транзисторах с ударной ионизацией крутое нарастание достигается с помощью усиления тока. Крутые нарастания могут быть получены также вследствие резкого изменения поверхностного потенциала в (1.8)[1]. С этой точки зрения были разработаны электромеханические (electro-mechanical - EM) или наноэлектромеханические (nano-electro-mechanical - NEM) полевые транзисторы. Существуют разные их конфигурации, однако основной принцип тот же: бистабильная система с механической и электростатической силами может быть резко переведена из одного состояния в другое, запускаемая критическим управляющим напряжением. Вблизи этого критического напряжения имеется резкое изменение поверхностного потенциала, а также резкое изменение тока, что приводит к значительному коэффициенту усиления.

На рисунке 4.1 показан пример EM FET вместе с физическим объяснением условия перехода в критическое состояние. Электрод затвора может быть подвешен существующими микроэлектромеханическими (MEM) технологиями. Когда приложено напряжение затвора V_g, возникает делитель напряжения, состоящий из емкости воздушного зазора  и емкости оксида затвора . Внутреннее напряжение непосредственно на оксиде затвора V_gint  равно

.                                            (4.1)

В результате на подвешенном затворе возникает сила, вызванная электрическим полем (f_elec), которая стремится уменьшить воздушный зазор. Этому противодействует противоположно направленная упругая сила (f _elax). Баланс этих двух сил определяет смещение затвора d. Предполагая, что начальный размер воздушного зазора (при V_g = 0) равен t_gap0, постоянная упругости пружины k, площадь затвора равна A, эти две силы формулируются как

                                               (4.2)

                      (4.3)

На рисунке 4.1 представлены зависимости сил (упругой силы (4.2) и электростатической силы (4.3)) от величины смешения затвора для трех заданных напряжений затвора, приложенных к ЕМ-прибору с толщиной воздушного зазора 190 нм. Равновесие сил определяется точкой пересечения кривых. Когда V_g мало, система стабилизируется, как показывает точка пересечения с кривой силы (с меньшим смещением). При некотором напряжении затвора две точки пересечения сводятся к одной. После этого напряжения на затворе электростатическая сила всегда больше силы упругости, что нарушает баланс системы и сдвигает электрод затвора непосредственно на подзатворный диэлектрик. Это критическое напряжение затвора определяется как напряжение втягивания V_pi. Вблизи V_pi происходит скачок потенциала V_gint от заданного уравнением (4.1) к величине V_pi, вызывая усиление поверхностного потенциала, следовательно, ток проводимости.

Как правило, существует гистерезис в характеристиках напряжение затвора - ток ЕМ FET. Как показано на рис.4.1, EM-прибор бистабилен при малых смещениях затвора (две точки пересечения). При уменьшении напряжения затвора от напряжения выше V_pi EM-прибор сначала будет стабилизироваться в точке пересечения с большим смещением. При последующем уменьшении напряжения затвора электрод затвора перемещается на оксид. На этом этапе ток по-прежнему большой. Если одна из точек пересечения оказывается больше, чем t_gap0, что физически невозможно, прибор EM переключится в другое стабильное состояние и выключается.

Были разработаны различные типы ЕМ-приборов. Экспериментально был реализован МОП-транзистор с подпороговым размахом 2мВ/дек.